混凝土浮力研究

李明辉

1 工程概况

台山核电厂一期循环水进水管沟为内圆外方型截面，由于整个循环水进水管沟较长，设计分为A1～A11共11段。每段长度20 m～30 m，内圆截面直径3.2 m～4.4 m。本文以循环进水管沟A8段(以下简称A8段)为例研究混凝土浇筑过程中混凝土对内圆模板浮力的计算。A8段长20 m，截面尺寸如图1所示。

图1 循环进水管沟A8段截面尺寸

图2 混凝土侧压力计算分布图

施工中为了防止裂缝的产生，A8段采用整体一次性浇筑，不留设水平施工缝。

内圆模板为直径3200mm的整圆模板，由于内圆模板直径较大，在混凝土浇筑过程中，内圆模板所受混凝土浮力较大，在模板设计及加固时必须考虑混凝土浮力的作用。内圆模板内部支撑经过可靠计算，内圆模板不会产生大于3mm的变形。内圆模板通过上部型钢支架、木方将混凝土浮力传到抗浮工字钢。抗浮工字钢两端压20号工字钢，用手拉葫芦将工字钢与替代混凝土预埋拉环拉结。抗浮工字钢间距由计算确定。

2 混凝土浮力分析

对于液体，根据阿基米德原理，物体受到液体的浮力大小为它排开的液体的重力:

混凝土具有特殊性:第一，由于混凝土不是全流态，所以混凝土的浮力不能等同于液体，也就是用阿基米德原理计算出来的浮力大于实际的浮力;第二，混凝土内部具有粘结力能抵抗一部分浮力;第三，混凝土实际浇筑速度控制在1 m/h，混凝土初凝时间大约3 h～4 h，浇筑上部混凝土时下部3 m～4 m以下混凝土已经初凝。

在现行的相关规范中没有关于混凝土浮力计算的相关介绍。故混凝土浮力的计算在工程施工中给技术人员带来很大困难。但混凝土对模板的侧压力计算可以参考《建筑施工手册》。根据《建筑施工手册》新浇混凝土对模板侧面的压力标准值(采用内部振捣器时)，可按以下两式计算，并取其较小值:

其中，F为对模板的最大侧压力，kN/m2;γc为混凝土的重力密度，kN/m3;t0为新浇筑混凝土的初凝时间，h，可按实测确定。当缺乏试验资料时，可采用t0=200/(T+15)计算(T为混凝土的温度，℃);V为混凝土的浇筑速度，m/h;H为混凝土侧压力计算位置处至新浇筑混凝土顶面的总高度，m;β1为外加剂影响修正系数，不掺外加剂时取1.0，掺具有缓凝作用的外加剂时取 1.2;β2为混凝土坍落度影响修正系数，当坍落度小于30mm时，取0.85，坍落度为50mm～90mm时，取1.0，坍落度为110mm～150mm时，取 1.15。

混凝土侧压力分布曲线如图2所示。

混凝土浮力与混凝土内部流体压力有密切关系，混凝土对模板的侧压力是由混凝土内部的流体压力引起的，在液体内部压力沿各个方向相等，而混凝土浮力正是由于混凝土内部液体压力引起的。由于混凝土内部液体压力随深度变化曲线不同于纯液体内部压力随深度的变化曲线;纯液体压力曲线随深度的增加而线性增加，混凝土内部液体压力随深度的增加，先是线性增加，后保持不变。故公式F浮=G排=ρgv并不适用于混凝土浮力的计算。

浮力的本质是由于液体中物体表面所受液体的压力差引起的;同样物体在混凝土中的浮力也是由于物体表面所受流动的混凝土的压力差引起的。若浸在混凝土中的物体为立方体，则可以通过混凝土压力随深度变化的曲线计算出上下表面的压力，然后计算出浮力。

3 实际工程中混凝土浮力计算

现在以台山核电厂一期1号、2号机组循环水进排水管沟(HGO)A8段内圆模板为例来讲述混凝土浮力的计算。

由于混凝土的侧压力随混凝土深度的增加先是线性增大，然后保持不变。故当混凝土刚好覆没内圆模板顶部时混凝土对内圆模板的浮力最大(见图3)，取1 m长的内圆模板作为计算单元进行计算分析。

侧压力计算:

混凝土的重力密度γc取24 kN/m3，混凝土的初凝时间t0取3.5 h，外加剂影响修正系数β1取1.2，混凝土坍落度影响修正系数β2取1.15，混凝土浇筑速度V取1 m/h。

由公式:F=0.22γct0β1β2V1/2得:F=25.5 kN/m2;

由公式F=γcH得:F=76.8 kN/m2;

综合以上两式得:F=25.5 kN/m2;

有效压头高度 h=F/γc=25.5/24=1.063 m。

混凝土侧压力分布如图2所示。

当 x＜2.137 时，P(x)=25.5;

当 x＞2.137时，P(x)=24×(3.2－x)=76.8－24x;

通过电脑积分计算得:

F浮=53.9 kN。

按混凝土为纯液体计算浮力:

F浮=ρgv=γcV=24 ×(3.14 ×1.6 ×1.6 ×1)=192.9 kN。

4 结语

由以上计算可以看出在本算例中混凝土浮力相当于按混凝土为纯液体计算所得浮力值的1/3.6，此处1/3.6可以看作混凝土浮力的折减系数，该折减系数1/3.6仅适用于本算例，并不适用于所有情况。折减系数与混凝土初凝时间、混凝土浇筑速度、混凝土所添加外加剂、混凝土坍落度、混凝土浇筑高度、所浮物体的高度和截面形状等均有关系。

一般来说，混凝土初凝时间越长浮力越大;混凝土浇筑速度越快浮力越大;混凝土坍落度越大浮力越大。小体积物体在混凝土中的浮力折减系数相对较小。高度小于1 m的物体在混凝土浇筑过程中的最大浮力近似等于按混凝土为纯液体状态计算出的浮力。高度较大的物体在混凝土浇筑过程中的最大浮力的折减相对较多。

计算出混凝土对内圆模板的浮力后就可以通过计算采取相应的抗浮措施了。

［1］ 刘恩元.岩石地基上建筑物上浮破坏实例及经验教训［J］.山西建筑，2009，35(5):88-89.